Institut für nichtmetallische Werkstoffe: Vergleichende Analyse der Stichfestigkeit von Hochleistungsfaser-/Harzwerkstoffen nach nationalen und internationalen Normen

Vergleich der Stichfestigkeit von Hochleistungsfaser-/Harzwerkstoffen nach nationalen und internationalen Normen

Abstrakt: Diese Arbeit untersucht die Unterschiede in der Stichfestigkeit verschiedener Hochleistungsfaser-/Harz-basierter Materialien. Dazu werden Testergebnisse verglichen, die gemäß der chinesischen Norm *GA 68-2024 „Polizeiliche Stichschutzwesten“* und der US-amerikanischen Norm *NIJ 0115.00-2000 „Stichfestigkeit von Körperschutzwesten“* erzielt wurden. Zudem werden die Merkmale der Bewertungskriterien und die spezifischen Materialanforderungen dieser nationalen und internationalen Normen analysiert. Die Stichfestigkeit wurde anhand der Anzahl der Lagen und der Flächenmasse des Materials ermittelt, die zur Erreichung bestimmter Schutzstufen erforderlich sind. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Stichfestigkeit bei Hochleistungsfaser-/Harz-basierten Materialien mit höherer Faserfestigkeit bei ähnlichem Harzanteil und mit höherem Harzanteil bei ähnlicher Faserfestigkeit verbessert. Die Erfüllung der Anforderungen der Klasse A der GA 68-Norm erfordert mehr als die doppelte Materialmenge der Klasse B, und die D2-Klinge der GA 68-Norm ist wirksamer als die D3-Klinge. Gemäß NIJ 0115.00 ist die S1-Klinge vergleichsweise weniger wirksam; die P1-Klinge stellt hohe Anforderungen an die Faserfestigkeit, während die Stachelklinge hohe Anforderungen an den Harzgehalt stellt. Hohe Temperaturen haben den größten Einfluss auf harzbasierte, stichfeste Materialien; daher ist die Stichfestigkeit bei hohen Temperaturen ein wichtiger Schwerpunkt bei der Prüfung von Proben nach GA 68.

Schlüsselwörter: Stichfestigkeit; Hochleistungsfaser; Stichfestigkeitsnorm; stichfestes Material; Flächengewicht

Die Entwicklung stichfester Materialien für Körperschutzwesten verlief in drei Phasen: starre, halbstarre und weiche Materialien. Aktuell werden im In- und Ausland vorwiegend Hochleistungsfaser-Harz-Verbundwerkstoffe als weiche, stichfeste Materialien eingesetzt. Stichfeste Westen aus diesen Materialien haben starre und halbstarre Varianten aufgrund ihres höheren Tragekomforts und des geringeren Risikos von Sekundärverletzungen verdrängt [1-7].

Aramidfasern (einschließlich para-Aramid und heterocyclischem Aramid), Poly(p-phenylenbenzobisoxazol) (PBO) Fasern , ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMW-PE) Fasern , Und Kohlenstofffasern Derzeit sind UHMW-PE-Fasern die wichtigsten Hochleistungsfasern. Sie weisen eine geringe Oberflächenpolarität auf, während die zur Imprägnierung verwendeten Verstärkungsharze eine hohe Oberflächenpolarität besitzen. Diese Diskrepanz führt zu einer schwachen Grenzflächenhaftung, wodurch UHMW-PE-Fasern für die Herstellung von stichfesten Materialien auf Harzbasis ungeeignet sind [8–10]. Kohlenstofffasern bieten zwar eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul, ihre geringe Bruchzähigkeit begrenzt jedoch die Energieabsorption, weshalb sie selten isoliert für Schutzanwendungen eingesetzt werden. Daher sind aromatische Fasern wie Aramid und PBO die vorherrschenden Hochleistungsfasern in stichfesten Materialien auf Harzbasis [11–14].

Zur Bewertung der Stichfestigkeit von Schutzmaterialien haben Länder wie die USA, Großbritannien und Deutschland entsprechende Normen für stichfeste Schutzwesten festgelegt. Die einflussreichste dieser Normen ist die „Stichfestigkeit von persönlicher Körperschutzweste“ (NIJ-Standard 0115.00-2000), herausgegeben vom National Institute of Justice (NIJ) des US-Justizministeriums und weltweit anerkannt. Auch mein Land hat mit der „GA 68-2024 Polizeiliche Stichschutzweste“, formuliert vom Ministerium für Öffentliche Sicherheit, eine eigene Norm für stichfeste Schutzwesten erlassen.

Diese Arbeit präsentiert einen systematischen Vergleich und eine Bewertung der Stichfestigkeit dieser Hochleistungsfaser-Harz-Verbundwerkstoffe gemäß chinesischen und US-amerikanischen Normen. Darüber hinaus analysiert sie die Merkmale und Schwerpunkte nationaler und internationaler Normen hinsichtlich Prüfmethoden, Bewertungskriterien und Anforderungen an die Materialeigenschaften.

1 Experimenteller Teil

1.1 Wichtigste Rohstoffe
Para-Aramidfasergewebe mit Standardfestigkeit: TH5108 (Faserzugfestigkeit: 21,5 cN/dtex), Eigenproduktion;
Hochfestes Para-Aramid-Fasergewebe: TH61081 (Faserzugfestigkeit: 23,5 cN/dtex), Eigenproduktion;
Heterozyklisches Aramidfasergewebe: F-3P200 (Faserzugfestigkeit: 28 cN/dtex), Eigenherstellung;
PBO-Fasergewebe: JQZW SP200-1100 (Faserzugfestigkeit: 28 cN/dtex), Eigenherstellung;
Epoxidharz und modifiziertes aliphatisches Amin: selbst hergestellt.

1.2 Wichtigste Instrumente und Ausrüstung
GA68 Stichfestigkeitsprüfgerät: MPFCT-2000, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
NIJ-Stichfestigkeitsprüfgerät: AQJL-300, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
GA68 Testklingen: D1, D2, D3, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
NIJ-Testklingen: P1, S1, Spike, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.

1.3 Probenvorbereitung
Aufgrund von Unterschieden in der Kompatibilität verschiedener Hochleistungsfasern mit dem Epoxidharz treten nach der Harzbeschichtung und -aushärtung geringfügige Abweichungen in der Flächenmasse der hergestellten stichfesten Materialien auf, selbst wenn die anfängliche Flächenmasse des Gewebes identisch ist [15–18]. Um die wissenschaftliche Validität und Aussagekraft der Testergebnisse zu gewährleisten, wurden vier Arten von Hochleistungsfasergeweben ausgewählt: Para-Aramid mit Standardfestigkeit, Para-Aramid mit hoher Festigkeit, heterocyclisches Aramid und PBO. Alle diese Gewebe weisen eine Flächenmasse von 200 g/m² auf.

Die stichfesten Materialien wurden mittels eines manuellen Harzbeschichtungsverfahrens hergestellt. Mehrere Proben mit den Abmessungen 350 mm × 300 mm wurden aus den vier oben genannten Hochleistungsfasergeweben zugeschnitten. Epoxidharz wurde mit einem Rakel auf beide Seiten der Gewebe aufgetragen und anschließend vier Stunden lang bei 120 °C und einem Formdruck von 0,3 MPa im Autoklaven nachgehärtet. So wurden sechs verschiedene, stichfeste Verbundwerkstoffe aus Hochleistungsfasern und Harzmatrix hergestellt. Die Proben 1# bis 3# bestanden aus demselben Fasertyp – Para-Aramid-Fasergewebe mit Standardfestigkeit – wiesen jedoch einen progressiv steigenden Harzanteil auf; die Proben 3# bis 6# verwendeten unterschiedliche Fasertypen, hatten aber einen ähnlichen Harzanteil. Die grundlegenden Parameter der stichfesten Materialproben sind in Tabelle 1 aufgeführt. Zur Vorbereitung der stichfesten Schichten für die Prüfung wurden die Materialien gestapelt und in ein schwarzes, wasserdichtes Gewebe eingewickelt. Diese Abdeckung schützte die Materialien wirksam vor Licht, Feuchtigkeit und Verunreinigungen und gewährleistete so die Genauigkeit der Prüfung. Die in nachfolgenden Tests für die Proben angegebenen Flächendichtewerte beziehen sich auf das stichfeste Material selbst, ohne das wasserdichte Gewebe.


1.4 Prüfung und Charakterisierung
Die Proben der stichfesten Schicht wurden gemäß den Normen GA 68 und NIJ 0115.00 geprüft; ein Vergleich dieser beiden Normen findet sich in Tabelle 2. Die Norm GA 68 umfasst zwei Klassen – Klasse A und Klasse B –, die beide eine Durchstoßenergie von 24 J erfordern, wobei ein Eindringen während der Prüfung nicht zulässig ist. Klasse A ist für allgemeine Umgebungen vorgesehen und umfasst nur einen Klingentyp. Klasse B ist speziell für die Luftfahrt konzipiert, wo die Wahrscheinlichkeit, auf extrem scharfe Klingen zu treffen, minimal ist; daher sind die Schärfeanforderungen für die Klingen D2 und D3 in Klasse B reduziert.


Notiz: E1 und E2 stellen zwei Energieniveaus des Stichfestigkeitstests nach NIJ 0115.00 dar.

NIJ 0115.00 ist in drei Schutzstufen unterteilt. Jede Stufe erfordert Prüfungen mit drei Klingentypen (P1-Klinge, S1-Klinge und Dorn). Darüber hinaus umfasst jede Stufe zwei Energiestufen: Die maximal zulässige Eindringtiefe beträgt 7 mm bei Prüfungen mit niedriger Energie und 20 mm bei Prüfungen mit hoher Energie.

Die Prüfgeräte für GA 68 und NIJ 0115.00 sind hinsichtlich Aufbau und Funktionsprinzip identisch. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des Prüfgeräts zur Stichfestigkeitsprüfung, Abbildung 2 die Prüfklingen. Die stichfeste Schicht wird auf dem Trägermaterial der Prüfplattform aufgebracht. Die auf einer Prüfvorrichtung montierte Prüfklinge durchdringt die stichfeste Schicht im freien Fall. Eine Geschwindigkeitsmesszone erfasst die Fallgeschwindigkeit der Klinge und berechnet daraus die Prüfenergie. Die Prüfung gilt als gültig, wenn die Energie den Anforderungen der Norm entspricht.

2 Ergebnisse und Diskussion

2.1 Vergleich der Stichfestigkeit verschiedener Materialien unter verschiedenen Normen
Stichfestigkeitsprüfungen wurden an den sechs in Tabelle 1 aufgeführten Materialien unter Umgebungsbedingungen durchgeführt. Für jede Konfiguration wurden fünf Probensätze geprüft, und die Ergebnisse stellen den Mittelwert dieser fünf Sätze dar. Bei einem gegebenen Schutzniveau zeigt ein Material mit weniger Lagen – und somit geringerer Flächenmasse – eine höhere Stichfestigkeit; umgekehrt zeigt ein Material mit mehr Lagen – und somit höherer Flächenmasse – eine geringere Stichfestigkeit. Tabelle 3 vergleicht die Stichfestigkeit der verschiedenen Materialien gemäß den unterschiedlichen Normen. Für GA 68 Klasse A und Klasse B betrug die Prüfenergie 24 J. Für NIJ 0115.00 Level I, II und III wurden die Prüfungen bei den entsprechenden Energieniveaus E1 und E2 gemäß der Norm durchgeführt; das angegebene Ergebnis ist die maximale Flächenmasse, die erforderlich ist, um beide Energieniveaus gleichzeitig zu erfüllen.
Wie in Tabelle 3 dargestellt: (1) Bei gleicher Stichfestigkeitsnorm weist das PBO-Material 6# (mit ähnlichem Harzgehalt) unter den Materialien 3#, 4#, 5# und 6# die geringste Flächenmasse auf, während das Para-Aramid-Material 3# die höchste aufweist. Somit zeigt das PBO-Material 6# die beste Stichfestigkeit. Dies deutet darauf hin, dass bei stichfesten Materialien auf Harzbasis mit gleichem Harzgehalt eine höhere Faserfestigkeit zu einer besseren Stichfestigkeit führt. (2) Bei gleicher Norm und Verwendung desselben Fasergewebes steigt die Flächenmasse der Materialien 1#, 2# und 3# progressiv an. Dies deutet darauf hin, dass bei harzbasierten Materialien mit derselben Faser ein höherer Harzgehalt zu einer besseren Stichfestigkeit führt. (3) Obwohl die GA-68-Tests der Klassen A und B Stiche mit einer Energie von 24 J beinhalten, unterscheidet sich die Schärfe der Klingen, wobei die Klinge der Klasse B weniger scharf ist. Die für den Schutz gegen Klingen der Klasse A erforderliche Flächendichte ist mehr als doppelt so hoch wie die für Klingen der Klasse B. Dies belegt, dass die Klinge der Klasse B gemäß GA 68 weniger als die Hälfte der Schutzwirkung einer Klinge der Klasse A aufweist. Gemäß NIJ 0115.00 steigt die Stichenergie über die drei Stufen hinweg an; folglich erhöhen sich auch die Anzahl der Lagen und die für den Schutz erforderliche Flächendichte des Materials. (4) Die für den Schutz gegen GA 68 Klasse A und NIJ 0115.00 Stufe I erforderlichen Flächendichten sind vergleichbar. Der Test nach GA 68 Klasse A sieht eine Energie von 24 J ohne zulässige Durchdringung vor, während der NIJ 0115.00-Standard 24 J für die niedrige Energiestufe (7 mm zulässige Durchdringung) und 33 J für die hohe Energiestufe (20 mm zulässige Durchdringung) vorsieht. Dies bedeutet, dass diese beiden Schutzstufen vergleichbare Anforderungen an kunststoffbasierte, stichfeste Materialien stellen.

2.2 Vergleich der Stichfestigkeit verschiedener Materialien gegenüber verschiedenen Testklingen
Die Gefährdung durch verschiedene Klingentypen – zwei nach GA 68 Klasse B und drei nach NIJ 0115.00 – wurde bei vergleichbaren Energieniveaus untersucht. Bei der Bewertung der Stichfestigkeit eines Materials ist in der Regel die stärkste, in der Norm spezifizierte Klinge ausschlaggebend. Hält eine Probe der stärksten Klinge stand, erfüllt sie die Norm für diese Schutzstufe. Da unterschiedliche Klingen unterschiedliche Anforderungen an das Material stellen, lassen sich durch die Analyse der Leistungsunterschiede zwischen verschiedenen Klingen die spezifischen Eigenschaften des Materials erkennen. Verschiedene stichfeste Materialien wurden mit den beiden Klingen nach GA 68 Klasse B und den drei Klingen nach NIJ 0115.00 getestet. Tabelle 4 zeigt die Anzahl der Materialschichten und die Flächenmasse, die erforderlich sind, damit die Materialien die entsprechenden Normen GA 68 Klasse B und NIJ 0115.00 Level I erfüllen.


Wie in Tabelle 4 dargestellt: (1) Bezüglich der beiden GA 68 Klasse B-Klingen, die bei hochleistungsfähigen, faserverstärkten, stichfesten Harzmatrix-Werkstoffen verwendet werden, ist für den Schutz vor der D3-Klinge mehr Material erforderlich als für den Schutz vor der D2-Klinge. Dies deutet darauf hin, dass die D3-Klinge eine größere Bedrohung darstellt. Wenn ein Material mit einer bestimmten Flächenmasse bei Vorprüfungen der Stichfestigkeit der D2-Klinge standhält, kann daher im Allgemeinen davon ausgegangen werden, dass das Material mit dieser Flächenmasse auch den GA 68 Klasse B-Test besteht. (2) Über die drei NIJ 0115.00-Stufen hinweg ist die für Hochenergietests (20 mm Eindringtiefe) erforderliche Flächenmasse durchgängig höher als die für Niedrigenergietests (7 mm Eindringtiefe). Wenn ein Material mit einer bestimmten Flächenmasse bei Vorprüfungen den Hochenergietest für eine bestimmte NIJ 0115.00-Stufe besteht, erfüllt es die Norm für diese Stufe. Zusätzliche Niedrigenergietests auf derselben Stufe sind somit nicht erforderlich. (3) Von den drei in NIJ 0115.00 spezifizierten Klingentypen benötigt die S1-Klinge die geringste Flächendichte an hochleistungsfähigem, faserverstärktem, stichfestem Harzmatrixmaterial zum Schutz, was darauf hindeutet, dass die S1-Klinge am wenigsten wirksam ist. Die P1-Klinge in NIJ 0115.00 ist analog zur D1-Klinge in den nationalen Sicherheitsstandards; sie zeichnet sich durch eine relativ lange und breite Klinge aus, übt beim Eindringen eine stärkere Scherwirkung auf das Material aus und stellt höhere Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der Fasern. Folglich bieten Materialien mit höherer Faserfestigkeit einen besseren Schutz gegen die P1-Klinge. Unter den Proben Nr. 3, 4, 5 und 6 – die einen vergleichbaren Harzgehalt aufweisen – zeigt Probe Nr. 6 die besten mechanischen Eigenschaften und benötigt daher eine geringere Flächendichte zum Schutz gegen die P1-Klinge. Die „Spitzenklinge“ in NIJ 0115.00 ist scharf und schlank; Bei einem Aufprall mit hoher Geschwindigkeit gleitet die Klinge leicht an den Faserstrukturen vorbei, wodurch die Scherung der Faserbündel minimiert und die kinetische Energie der Klinge nicht effektiv abgebaut wird. Dadurch kann sie weiter eindringen. Daher sind Harzgehalt und Harzhärte des Materials entscheidende Faktoren für den Schutz vor dieser Art von Klinge. Von den Proben 1, 2 und 3 – die zwar denselben Fasertyp verwenden, sich aber im Harzgehalt unterscheiden – bietet Probe 3 einen deutlicheren Schutz gegen die Stachelklinge. Tabelle 4 zeigt zudem, dass die Proben 3, 4, 5 und 6 – die sich in der Faserfestigkeit, aber im Harzgehalt unterscheiden – keinen signifikanten Unterschied im Schutz gegen die Stachelklinge aufweisen. Dies bestätigt, dass die Stachelklinge höhere Anforderungen an den Harzgehalt stichfester Materialien stellt.

2.3 Vergleich der Stichfestigkeit verschiedener Materialien unter verschiedenen Umgebungsbedingungen
Die nationale Norm für Stichfestigkeit, GA 68, enthält detaillierte Spezifikationen zur Umweltverträglichkeit von Stichschutzwesten und berücksichtigt drei Testbedingungen: hohe Temperaturen, niedrige Temperaturen und Wasserimmersion. Bei der Hochtemperaturprüfung wird die Probe vor dem Stichtest 4 Stunden lang bei (55 ± 2) °C konditioniert; bei der Niedrigtemperaturprüfung 4 Stunden lang bei (-20 ± 2) °C; und bei der Wasserimmersionsprüfung wird die Probe der stichfesten Schicht 30 Minuten lang in Wasser eingeweicht, bevor sie für den Stichtest entnommen wird. Tabelle 5 listet die Anzahl der Lagen und die Flächenmasse auf, die für verschiedene stichfeste Materialien bei Tests unter unterschiedlichen Umweltbedingungen erforderlich sind.
Wie in Tabelle 5 dargestellt, Hochleistungsfähige, stichfeste Faser-/Harzmatrix-Materialien erfordern unter hohen Temperaturen eine höhere Flächendichte. Im Gegensatz dazu bleiben die erforderliche Lagenanzahl und Flächendichte bei Wasserimmersion und Umgebungstemperatur im Wesentlichen gleich. Bei niedrigen Temperaturen sind die geringste Lagenanzahl und die niedrigste Flächendichte erforderlich. Dies liegt daran, dass die Harzhärte bei hohen Temperaturen abnimmt und die Härte ein Schlüsselfaktor für die Stichfestigkeit dieser Materialien ist. Eine geringere Härte schwächt die Fähigkeit der stichfesten Schicht, die Spitze einer Klinge abzustumpfen, und verringert somit die Stichfestigkeit. Umgekehrt erhöht sich die Harzhärte bei niedrigen Temperaturen, was zu einer überlegenen Stichfestigkeit der Materialien führt. Die Ergebnisse der Wasserimmersionstests zeigen, dass die Durchstoßfestigkeit von stichfesten Westen, sofern das wasserdichte Gewebe, das das stichfeste Material umschließt, den Qualitätsstandards entspricht, auch nach dem Eintauchen in Wasser erhalten bleibt. Bei ersten Prüfungen von durchstoßfesten Materialien sollte der Schwerpunkt auf der Bewertung der Leistungsfähigkeit unter Hochtemperaturbedingungen liegen.

3. Schlussfolgerungen

(1) Bei Hochleistungs-Faser/Harz-Matrix-Durchstoßfestigkeitswerkstoffen führt bei gleichem oder ähnlichem Harzanteil eine höhere Faserfestigkeit zu einer besseren Durchstoßfestigkeit; umgekehrt führt bei konstanter Faserfestigkeit ein höherer Harzanteil zu einer besseren Durchstoßfestigkeit.

(2) Die Flächenmasse der Hochleistungs-Harzmatrixwerkstoffe, die zur Erfüllung der Durchstoßfestigkeitsklasse A nach GA 68 erforderlich ist, ist mehr als doppelt so hoch wie die für Klasse B. Es besteht ein progressiver Zusammenhang zwischen den Materialien und Flächenmassen, die zur Erfüllung der drei Schutzstufen der US-Norm NIJ 0115.00 erforderlich sind. Dabei sind Bedrohungen mit höherer Energie auf einer bestimmten Stufe schwieriger abzuwehren als Bedrohungen mit niedrigerer Energie auf derselben Stufe. Die Durchstoßfestigkeit der GA-68-Klasse A ist vergleichbar mit der von NIJ 0115.00 Stufe I.

(3) Hinsichtlich hochleistungsfähiger, durchstoßfester Faser-/Harzmatrix-Werkstoffe ist die in GA 68 spezifizierte D2-Klinge weniger leistungsfähig als die D3-Klinge. Unter den Klingen nach NIJ 0115.00 weist die S1-Klinge die geringste Leistung auf; die P1-Klinge stellt hohe Anforderungen an die Faserfestigkeit des Materials, während die Stachelklinge hohe Anforderungen an den Harzanteil stellt.

(4) Hochtemperaturumgebungen haben den größten Einfluss auf Hochleistungs-Harzmatrix-Durchstoßfestigkeitsmaterialien; daher sollten sich Vorprüfungen auf die Durchstoßfestigkeit unter Hochtemperaturbedingungen konzentrieren.